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Matériaux
4e édition
Michael F. AshbyDavid R. H. Jones
Propriétés, applications et conception
9782100587674-Ashby.indb 1 10/07/13 14:19
Illustration de couverture : © Fazon1-istockphoto.com
© Dunod, Paris, 2013ISBN 978-2-10-058767-4
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Table des maTières
Chapitre 1. Les matériaux de structure et leurs propriétés 1
1.1 Introduction 1
1.2 Exemplesdesélectiondesmatériaux 4
Partie a
Le coût et La disponibiLité
Chapitre 2. Le coût et la disponibilité des matériaux 15
2.1 Introduction 15
2.2 Quelquesdonnéessurleprixdesmatériaux 15
2.3 Répartitiondel’utilisationdesmatériaux 17
2.4 Lesmatériauxomniprésents 18
2.5 Lacroissanceexponentielleetlapériodededoublementdelaconsommation 20
2.6 Ladisponibilitédesressources 21
2.7 Àl’avenir 22
2.8 Conclusion 23
Partie B
Les constantes d’éLasticité
Chapitre 3. Les constantes d’élasticité 29
3.1 Introduction 29
3.2 Définitiondelacontrainte 30
3.3 Définitiondeladéformation 32
3.4 LaloideHooke 35
3.5 LamesuredumoduledeYoung 36
3.6 DesvaleursnumériquesdemodulesdeYoung 37
3.7 Exempledétaillé 41
3.8 Notesurlescontraintesetlesdéformationsentroisdimensions 42
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Table des matières
IV
Chapitre 4. Les liaisons interatomiques 52
4.1 Introduction 52
4.2 Lesliaisonsfortes 53
4.3 Lesliaisonssecondaires 57
4.4 Lesétatscondensésdelamatière 58
4.5 Lesforcesinteratomiques 59
Chapitre 5. L’empilement des atomes dans les solides 63
5.1 Introduction 63
5.2 Lesempilementscristallins 63
5.3 Lesstructurescompactesetl’énergieducristal 64
5.4 Lacristallographie 66
5.5 Lesindicesdeplans 67
5.6 Lesindicesdedirection 69
5.7 D’autresstructurescristallinessimplesetimportantes 70
5.8 L’empilementdesatomesdanslespolymères 71
5.9 L’empilementdesatomesdanslesverresminéraux 73
5.10 Lamassevolumiquedessolides 74
Chapitre 6. Les origines physiques du module de Young 78
6.1 Introduction 78
6.2 Lemoduledescristaux 78
6.3 Lescaoutchoucsetlatempératuredetransitionvitreuse 80
6.4 Lescomposites 82
6.5 Exempledétaillé 85
Chapitre 7. Étude de cas : conceptions faisant intervenir le module d’élasticité 88
7.1 Étudedecasn°1:commentchoisirlematériaud’unmatdevoilierdecompétition 88
7.2 Étudedecasn°2:commentconcevoirlemiroirréfléchissantd’ungrandtélescope 91
7.3 Étudedecasn°3:lacatastrophedelanavettespatiale«Challenger» 94
7.4 Exercicedirigé 99
Partie C
Limite d’éLasticité ; résistance à La traction et ductiLité
Chapitre 8. La limite d’élasticité, la résistance à la traction et la ductilité 105
8.1 Introduction 105
8.2 L’élasticitélinéaireetnonlinéaire 106
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8.3 Lescourbesforce-déplacementpouruncomportementnonélastique(plastique) 107
8.4 Lescourbesrationnellescontrainte-déformation 109
8.5 L’énergiededéformationplastique 111
8.6 L’essaidetraction 111
8.7 Quelquesvaleursnumériques 113
8.8 L’essaidedureté 116
Chapitre 9. Les dislocations et la déformation plastique des cristaux 123
9.1 Introduction 123
9.2 Lalimited’élasticitéd’uncristalparfait 123
9.3 Lesdislocationsdanslescristaux 125
9.4 Laforceagissantsurunedislocation 130
9.5 D’autrespropriétésdesdislocations 131
Chapitre 10. Méthodes de durcissement et plasticité des polycristaux 133
10.1 Introduction 133
10.2 Mécanismesdedurcissement 134
10.3 Durcissementdesolutionsolide 134
10.4 Durcissementparprécipitationetdispersion 135
10.5 L’écrouissage 135
10.6 Lalimited’écoulementdesdislocations 137
10.7 Limited’écoulementdespolycristaux 137
10.8 Remarquesfinales 140
Chapitre 11. Aspects continus de l’écoulement plastique 142
11.1 Introduction 142
11.2 Ledébutdeladéformationplastiqueetlalimited’élasticitéencisaillementk 143
11.3 Analysedel’essaidedureté 144
11.4 Instabilitéplastique:lastrictionlorsd’unchargemententraction 146
Chapitre 12. Étude de cas : conceptions faisant intervenir la limite d’élasticité 155
12.1 Introduction 155
12.2 Étudedecasn°1:conceptionélastiquedematériauxpourressorts 156
12.3 Étudedecasn°2:conceptionplastiquedematériauxpourunréservoirsouspression 160
12.4 Étudedecasn°3:plasticitéengrandedéformation;laminagedemétaux 161
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Table des matières
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Partie D
rupture brutaLe, rupture fragiLe et ténacité
Chapitre 13. Rupture brutale et énergie de rupture 169
13.1 Introduction 169
13.2 Critèreénergétiquepourlarupturebrutale 169
13.3 DonnéespourGcetKc 174
Chapitre 14. Les micromécanismes de la rupture brutale 183
14.1 Introduction 183
14.2 Lesmécanismesdepropagationdefissures.1:ledéchirementductile 184
14.3 Lesmécanismesdepropagationdefissure.2:leclivage 186
14.4 Lescomposites,dontlebois 188
14.5 Éviterlafragilitédesalliages 188
14.6 Exempledétaillé 189
Chapitre 15. Rupture probabiliste des matériaux fragiles 195
15.1 Introduction 195
15.2 Lastatistiquedelarupturefragile 196
15.3 LadistributiondeWeibull 198
15.4 Lemodulederupture 200
15.5 Exempledétaillé 201
Chapitre 16. Étude de cas en rupture brutale 205
16.1 Introduction 205
16.2 Étudedecasn°1:Larupturebrutaled’unréservoird’ammoniac 205
16.3 Étudedecasn°2:L’explosiond’unefenêtreenPMMAencoursdechargementhydrostatique 208
16.4 Étudedecasn°3:Lafissurationd’unecouvertureenpolyuréthaneexpanséd’unréservoirdeméthaneliquide 211
16.5 Exempledétaillé 215
Partie e
rupture en fatigue
Chapitre 17. Rupture en fatigue 223
17.1Introduction 223
17.2Comportementenfatiguedepiècesnonfissurées 223
17.3Comportementenfatiguedespiècesfissurées 228
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17.4Lesmécanismesdefatigue 230
17.5 Exempledétaillé 232
Chapitre 18. La conception contre la fatigue 238
18.1Introduction 238
18.2Donnéesdefatiguepourdespiècesnonfissurées 238
18.3Concentrationsdecontraintes 239
18.4Facteurdesensibilitéauxentailles 240
18.5Donnéesdefatiguepourlesjointssoudés 242
18.6Méthodespouraméliorerl’enduranceenfatigue 244
18.7Laconceptioncommemoyenderéduirel’amplitudedescycles 245
18.8 Exempledétaillé 246
Chapitre 19. Études de cas en rupture par fatigue 257
19.1Étudedecasn°1:lescatastrophesaériennesdesComet 257
19.2Étudedecasn°2:lacatastropheferroviaired’Eschede 263
19.3Étudedecasn°3:fatigued’unepiècefissurée;sécuritédumoteurdeStretham 266
Partie F
déformation et rupture par fLuage
Chapitre 20. Fluage et rupture par fluage 277
20.1Introduction 277
20.2Étudedufluage,courbesdefluage 281
20.3Relaxationparfluage 283
20.4Endommagementetruptureenfluage 285
20.5Matériauxrésistantsaufluage 286
20.6 Exempledétaillé 286
Chapitre 21. Théorie cinétique de la diffusion 291
21.1Introduction 291
21.2DiffusionetloideFick 292
21.3Donnéesdecoefficientsdediffusion 296
21.4Mécanismesdediffusion 298
Chapitre 22. Mécanismes de fluage ; matériaux résistants au fluage 301
22.1Introduction 301
22.2Mécanismesdefluage:métauxetcéramiques 302
22.3Mécanismesdefluage:polymères 307
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Table des matières
VIII
22.4Sélectiondesmatériauxpourrésisteraufluage 308
22.5 Exempledétaillé 310
Chapitre 23. L’aube de turbine : une étude de cas de conception contrôlée par la résistance au fluage 314
23.1Introduction 314
23.2Cahierdeschargespouruneaubedeturbine 316
23.3Lessuperalliagesàbasedenickel 317
23.4Développementsenconception:lerefroidissementdesaubes 321
23.5Développementsprospectifs:lescéramiquesréfractaires 322
23.6Rentabilité 323
23.7 Exempledétaillé 324
Partie G
oxydation et corrosion
Chapitre 24. Oxydation des matériaux 329
24.1Introduction 329
24.2L’énergied’oxydation 330
24.3Vitessesd’oxydation 331
24.4Données 333
24.5Micromécanismes 334
Chapitre 25. Études de cas en oxydation sèche 338
25.1Introduction 338
25.2Étudedecasn°1:obtentiond’alliagesinoxydables 338
25.3Étudedecasn°2:protectiondesaubesdeturbine 339
25.4Remarquesurlesopérationsdesoudage 343
Chapitre 26. Corrosion humide des matériaux 345
26.1Introduction 345
26.2Lacorrosionhumide 346
26.3Lesdifférencesdepotentiel,forcesmotricesdelacorrosionhumide 347
26.4DiagrammesdePourbaix(oud’équilibreélectrochimique) 348
26.5Quelquesexemples 350
26.6Remarquesurlespotentielsstandardd’électrode 354
26.7L’attaquelocalisée 355
Chapitre 27. Étude de cas en corrosion humide 360
27.1Étudedecasn°1:protectiondescoquesdenavirescontrelacorrosion 360
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27.2Étudedecasn°2:corrosiond’unfiltreàeauenacierinoxydable 364
27.3Étudedecasn°3:corrosiondubétonarmé 366
27.4Remarquesurlesanodesdepetitesdimensionsetlescathodesdegrandesdimensions 369
27.5 Exempledétaillé 370
Partie H
frottement, abrasion et usure
Chapitre 28. Frottement et usure 375
28.1Introduction 375
28.2Lefrottemententredeuxmatériaux 375
28.3Donnéessurlescoefficientsdefrottement 378
28.4Lubrification 380
28.5L’usuredesmatériaux 381
28.6Propriétésensurfaceetenvolume 383
Chapitre 29. Études de cas en frottement et usure 389
29.1Introduction 389
29.2Étudedecasn°1:conceptiond’unpalierlisse 389
29.3Étudedecasn°2:matériauxpourskisetpatinsdetraîneaux 395
29.4Étudedecasn°3:lecaoutchoucàhauteadhérence 396
Chapitre 30. Étude de cas finale : matériaux et énergie dans la conception des automobiles 401
30.1Introduction 401
30.2Énergieetémissionsdecarbone 402
30.3Commentaboutiràdeséconomiesd’énergie? 402
30.4Lesmatériauxcontenusdansuneautomobile 403
30.5Matériauxdesubstitution 404
30.6Méthodesdeproduction 409
30.7Conclusions 411
Références 413
Bibliographie complémentaire en français 415
Annexe A. Symboles et formules 417
A1 Listedesprincipauxsymboles 417
A2 Résumédesprincipalesformules 418
A3 Ordresdegrandeurdespropriétés 426
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Table des matières
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Annexe B. Constantes physiques – Conversions d’unités 427
B1 Constantesphysiques(unitésS.I.) 427
B2 Tableaugénéral–Conversiond’unités 428
B3 Conversiond’unités–Contrainteetpression 428
B4 Conversiond’unités–Énergie 429
B5 Conversiond’unités–Puissance 429
Index Français-Anglais 431
Index Anglais-Français 437
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Matériaux
Préface à la QuaTrième édiTion
En préparant cette quatrième édition de Matériaux, tome 1, j’ai saisi l’occasion pour effectuer un certain nombre de modifications significatives, tout en prenant garde à ne pas altérer la personnalité même de l’ouvrage. Au niveau le plus évident, j’ai ajouté de nombreuses photographies pour illustrer tant les apports théoriques que les études de cas ; beaucoup d’entre elles ont été prises au cours de mes déplacements dans le monde entier, pour y étudier les problèmes concrets liés à l’utilisation des matériaux.
De nos jours, Internet est l’outil essentiel d’échange de connaissances et de communication, à un point tel que les manuels universitaires doivent être utilisés en parallèle avec les sources d’informations apportées par le Web. En conséquence, dans cette nouvelle édition, j’ai ajouté dans le texte de nombreuses références à des pages Internet et des séquences vidéo, depuis le rapport de la commission prési-dentielle sur l’accident de la navette Challenger, jusqu’aux roues de locomotives qui manquent d’adhérence sur les voies indiennes de chemin de fer. Et chaque fois qu’un lieu géographique était impliqué, comme le Pont du Port de Sydney, j’en ai indiqué les coordonnées (latitude et longitude) pour qu’elles puissent être introduites dans le moteur de recherche de Google Earth de manière à vous amener directement sur place. Non seulement ceci vous donne une idée de l’emprise mondiale réelle du Génie des Matériaux, mais ceci vous fait déboucher directement sur le grand nombre de sources connexes et de références, comme les photographies ou les pages Internet, susceptibles de vous être utiles pour vos propres recherches personnelles.
Dans de nombreux chapitres, j’ai ajouté des exemples pour développer ou illustrer une question sans interrompre le fil du chapitre. Ces exemples peuvent être du type que d’aucuns qualifieraient de « convergent » – comme lorsqu’il s’agit de mettre des valeurs numériques sur une série d’essais de rupture pour calculer le module de Weibull (vous devez être capable de mener à bien ce genre de travail, mais on le fait plus commodément « hors-ligne »), ou bien du type « divergent », comme lorsqu’on identifie des détails de conception pour résister à la fatigue sur des feux tricolores de circulation à Manhattan, ce qui vous incite à observer le monde réel tout autour de vous avec les yeux d’un ingénieur.
J’ai effectué quelques changements significatifs dans la manière dont certains des sujets relatifs aux matériaux sont présentés. Ainsi, dans les chapitres sur la fatigue, j’ai largement remplacé l’analyse traditionnelle basée sur la contrainte par une approche de la durée de vie en fatigue basée sur la déformation totale. Dans les
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Matériaux
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chapitres sur le fluage, l’utilisation des cartes de fluage est étendue, pour montrer les contours d’égale valeur de vitesse de fluage et les effets de la microstructure sur les régimes de fluage. Dans les chapitres sur la corrosion, les diagrammes de Pourbaix sont introduits pour la première fois pour mettre en évidence les domaines d’im-munité, de corrosion et de passivation et la manière dont ils dépendent du potentiel électrochimique et du pH.
Par ailleurs, j’ai renforcé les liens entre les aspects « matériaux » des différents thèmes et les points de vue des utilisateurs relatifs aux domaines de la mécanique appliquée et des calculs de structures. Ainsi, à la fin des chapitres correspondants, j’ai inséré un bref résumé des formules utiles : flexion élastique, vibration et flambage des poutres après le chapitre 3, flexion élasto-plastique et torsion après le chapitre 11 ; facteurs d’intensité de contrainte pour les géométries usuelles de fissures après le chapitre 13 ; enfin, données pour calculer les pertes de matière par corrosion après le chapitre 26. Une petite note introductive à la notation tensorielle pour la description tridimensionnelle des contraintes et des déformations a égale-ment été ajoutée au chapitre 3.
De nombreuses études de cas nouvelles ont été ajoutées et beaucoup des études de cas antérieures ont été soit remplacées, soit révisées et actualisées. Le nombre des exercices a été largement accru, et un bon nombre d’entre eux portent sur des cas concrets ou des exemples pratiques de conception à l’aide des matériaux ou de calculs de dimensionnement pour éviter la défaillance. D’une manière générale, je me suis efforcé pour les études de cas de choisir des sujets intéressants, forma-teurs et relatifs au monde actuel. Ainsi, la nouvelle étude de cas sur l’accident de la navette Challenger – qui fait suite à la théorie de l’élasticité (loi de Hooke appli-quée aux tubes sous pression et à la reptation des chaînes macromoléculaires dans le caoutchouc) – a une valeur intemporelle dans sa description de la difficulté des concepteurs à faire entendre et appliquer leurs points de vue par leur hiérarchie dans le cadre complexe d’une grande entreprise. L’accident de Columbia 17 ans plus tard, mettant en cause la même organisation et encore une fois un problème de matériau, montre bien que le génie des matériaux recouvre bien d’autres aspects que seule-ment le génie des matériaux.
Les matériaux occupent une place centrale dans tous les domaines de l’ingénierie puisque sans eux, rien ne peut être fabriqué ni rien ne peut être fait. Le défit perma-nent consiste à intégrer une connaissance intime des caractéristiques des matériaux dans la conception de leurs applications concrètes dans les structures, les pièces ou les appareillages. Y réussir aide à comprendre les autres domaines de la conception, comme les calculs de structure ou la mécanique, de sorte que de véritables colla-borations puissent être bâties pour déboucher sur des conceptions optimales et des risques minimisés. Le cas des réacteurs d’avions modernes en est l’un des meilleurs exemples et celui des joints des fusées d’appoint de la navette spatiale est l’un des pires. Entre les deux, on trouve tout un monde de conceptions, de la meilleure à la pire (voir pas conçue du tout…). Et ce monde est fascinant pour un ingénieur en matériaux, toujours curieux, averti et vigilant.
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RemerciementsLes auteurs et les éditeurs sont reconnaissants à tout un nombre de détenteurs de droits pour l’autorisation de reproduire leurs photographies. Les remerciements per-sonnalisés apparaissent dans les légendes des figures correspondantes. À part celles dont les auteurs sont mentionnés, toutes les photographies ont été prises par D. Jones.
David Jones
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inTroducTion générale
aux éTudianTs
Dans les sciences de l’ingénieur, innover consiste souvent à utiliser à bon escient un matériau nouveau ; nouveau dans un usage particulier, mais pas forcément (quelque-fois cependant) nouveau au sens de « créé depuis peu ». Les attaches-trombones en plastique et les aubes de turbine en céramique représentent deux tentatives d’amélio-ration, par l’usage des polymères et des céramiques, d’objets qu’on savait bien faire en métal. Et des désastres techniques sont fréquemment dus à un usage inapproprié des matériaux. Si les poils en plastique du balai-brosse que vous utilisez pour net-toyer votre terrasse glissent sur les feuilles mortes, ou si une flottille d’avions est consignée au sol parce que des fissures sont apparues dans la paroi du fuselage, c’est à cause de l’ingénieur d’études qui aura utilisé des matériaux inappropriés ou n’aura pas compris les propriétés des matériaux qu’il a employés. Ainsi, il est primordial que l’ingénieur sache sélectionner les matériaux qui conviennent le mieux aux exi-gences du produit qu’il conçoit – des exigences économiques ou esthétiques aussi bien que des exigences de résistance et de longévité. Le concepteur doit comprendre les propriétés des matériaux et leurs limites.
Ce livre est une vaste introduction à ces propriétés et à ces limites. Il ne vous rendra pas expert en matériaux, mais il pourra vous apprendre à choisir un matériau avec bon sens, à éviter les erreurs sources d’embarras et de tragédies par le passé, et à trouver où vous renseigner dans le détail sur un sujet particulier.
Vous remarquerez dans la table des matières que des parties regroupent plusieurs chapitres, chaque partie décrivant une classe particulière de propriétés : les constantes d’élasticité ; la ténacité ; la résistance à la corrosion ; etc. Chacune commence par définir la propriété, décrire la façon dont on la mesure, puis donner un tableau d’ordres de grandeur qu’on utilise pour résoudre des problèmes de sélection et d’utilisation des matériaux. Puis nous passons aux concepts scientifiques de base qui sous-tendent chaque propriété, et montrons comment on applique ces connaissances fondamentales pour choisir les meilleurs matériaux. Chaque partie se termine par un chapitre d’études de cas dans lequel on applique les connaissances de base et les données numériques relatives à chaque propriété à des problèmes concrets de bureau d’études faisant appel aux matériaux.
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Matériaux
XVI
À la fin de chaque chapitre, vous trouverez des séries d’exercices d’application ; chacun d’eux a pour but de renforcer ou de développer un point particulier traité dans le texte qui précède. Essayez de faire les exercices relatifs à un chapitre donné tant que vous l’avez encore en tête. De cette façon, vous prendrez peu à peu confiance dans votre maîtrise du sujet.
Aucun ingénieur ne tente d’apprendre par cœur ni de se souvenir des tables de données numériques relatives aux propriétés des matériaux. Mais vous devriez essayer de retenir les ordres de grandeur de ces quantités. Tous les épiciers savent « qu’il y a à peu près 10 pommes au kilo » ; ils continuent à les peser, mais cette estimation leur évite des erreurs bêtes qui pourraient leur coûter de l’argent.
De la même façon, un ingénieur devrait savoir que « la plupart des modules d’élas-ticité sont compris entre 1 et 103 GPa, ceux des métaux valant environ 102 GPa ». Pour toute construction, il vous faudra une valeur précise, que vous tirerez des spéci-fications du fournisseur ; mais la connaissance d’ordres de grandeur vous épargnera des erreurs d’unités, ou d’autres erreurs bêtes et peut-être coûteuses. Pour vous y aider, nous avons placé à la fin du livre une liste des définitions importantes et des formules à connaître ou à savoir retrouver, et un condensé des ordres de grandeur des propriétés des matériaux.
aux enseignanTs
Cet ouvrage est un cours de matériaux pour des élèves-ingénieurs débutant dans cette matière. Il est conçu pour être mené de pair avec un cours de technologie de concep-tion, de mécanique et de calcul de structures, et pour répondre au besoin qu’ont les étudiants d’une introduction aux matériaux insistant sur les applications.
Le texte est délibérément concis. Chaque chapitre correspond à un cours oral de 50 minutes, trente au total, et laisse du temps pour des expériences de démonstration et des illustrations graphiques. Le texte contient des séries d’études de cas qui se rapportent au groupe de leçons précédent. À la fin de chaque chapitre se trouvent des exercices pour les étudiants.
Nous nous sommes efforcés d’utiliser les concepts mathématiques les plus simples possibles tout en retenant l’aspect physique fondamental et en cherchant à fournir des résultats utiles bien qu’approximatifs. Mais nous avons évité la seule description qualitative : la plupart des études de cas et des exercices font appel au calcul et à l’utilisation de données chiffrées pour parvenir à des solutions numériques à des problèmes réels ou hypothétiques. Ce niveau d’analyse et ces données chiffrées sont ceux auxquels on aurait recours dans un avant-projet de sélection d’un matériau ou de conception d’une structure (ou encore dans l’analyse d’une structure défaillante).
Il sera bon d’insister auprès des étudiants sur le fait que l’étape suivante serait une analyse détaillée, qui ferait appel à des notions plus précises de mécanique, et à des données obtenues du fournisseur du matériau, ou par des essais effectués en interne. On sait que les données numériques sur les matériaux sont très variables. On ne doit donc jamais utiliser les ordres de grandeur donnés ici, si utiles soient-ils, pour des calculs finaux de conception ou de projet.
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Introduction générale
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documenTaTion PédagogiQue
Les documents ci-dessous (tous en langue anglaise) sont disponibles sur Internet à l’intention des enseignants qui adopteront ou recommanderont le présent ouvrage pour leurs cours. Pour plus de détails et pour les modalités d’accès, consulter le site internet http ://www.textbooks.elsevier.com
Livre de l’enseignantUn recueil comportant les solutions complètes rédigées pour tous les exercices du présent ouvrage est disponible pour le téléchargement.
Banque d’imagesUne banque d’images téléchargeables comprenant les figures du livre est à disposi-tion des enseignants en vue de projections pour illustrer les exposés.
Exercices d’initiation à la Science des MatériauxUne série d’exercices dirigés en ligne pour l’apprentissage de la Science des Maté-riaux accompagne Matériaux, tomes 1 et 2. Ils ont été développés par Allan Crosky, Mark Hoffman, Paul Munroe et Belinda Allen à l’Université de New South Wales (UNSW) en Australie ; ils sont basés sur les précédentes éditions de ces livres. Ce groupe s’intéresse tout particulièrement à la mise en œuvre concrète et innovante des technologies de l’information et de la communication dans l’enseignement. Ils ont pris conscience du potentiel que présentent ces nouvelles technologies pour l’ensei-gnement du Génie des Matériaux auprès de leurs étudiants et ont développé et utilisé depuis plusieurs années ces exercices dirigés désormais bien connus à l’UNSW. Le résultat de leurs travaux a également été déjà largement publié et présenté.
Ces exercices dirigés sont conçus aussi bien pour des étudiants en Science des Matériaux que pour ceux qui étudient cette matière à titre de discipline connexe ou optionnelle – par exemple les étudiants de Génie Mécanique ou de Génie Civil. Ils constituent un complément idéal aux enseignements sous forme traditionnelle et peuvent aussi être utilisés comme base pour des rappels rapides à l’intention d’étu-diants plus avancés en Science des Matériaux. En outre, en faisant une sélection dans la large gamme d’exercices proposés, on peut y trouver d’excellents sujets introductifs à destination d’étudiants de disciplines voisines.
Le logiciel correspondant a été conçu comme un outil d’auto-apprentissage à rythme libre, subdivisé en modules basés sur les concepts-clés de la Science des Matériaux.
LesauteursdesexercicesdirigésAllan Crosky est Professeur à l’École de Science et Génie des Matériaux de l’Uni-versité de New South Wales. Ses spécialités d’enseignement comprennent la métal-lurgie, les composites et la fractographie.Belinda Allen est Pédagogue et Assistante au sein de l’équipe Recherche, Évaluation et Développement des Cursus, dans l’Unité Enseignement et Apprentissage à l’UNSW. Elle participe à des programmes stratégiques de reconversion et de développement
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professionnel en formation permanente, avec un intérêt particulier pour la mise en œuvre concrète des nouvelles technologies d’information et de communication en enseignement.Mark Hoffman est Professeur à l’École de Science et Génie des Matériaux à l’UNSW. Ses spécialités d’enseignement sont la rupture, la modélisation numérique, le comportement mécanique des matériaux et la gestion de projets.Paul Munroe est Professeur associé à l’École de Science et Génie des Matériaux et Directeur de l’Unité de Microscopie Electronique à l’UNSW. Ses spécialités d’enseignement sont la déformation et les mécanismes de durcissement des matériaux, ainsi que la caractérisation cristallographique et microstructurale.
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avanT-ProPos des TraducTeurs
Tous les experts s’accordent pour dire que l’usage optimal et l’amélioration des ma-tériaux de structure constituent l’un des grands défis actuels du progrès en matière technologique. La multiplication des filières universitaires de formation en Science des Matériaux suffit à en apporter la preuve. Aussi, nous avait-il semblé opportun, il y a vingt-deux ans déjà, de mettre à la disposition du public francophone l’excellent ouvrage des Professeurs Ashby et Jones, devenu depuis longtemps un classique en Grande-Bretagne, et en passe de le devenir dans les pays francophones avec cette nouvelle édition.
Volontairement, nous n’avons en rien cherché à « franciser » à outrance dans le texte, y compris dans les exemples et les illustrations. Au contraire, nous avons tenté de sauvegarder l’association de rigueur scientifique, de pragmatisme et de simplicité d’expression qui fait l’originalité de l’enseignement dispensé par nos amis anglo-saxons, par opposition à la tendance française parfois trop sèchement académique et déductive ; cet état d’esprit nous a semblé susceptible d’aider nos étudiants à acquérir ce « sens physique », ou parfois le bon sens tout court, dont les enseignants déplorent souvent l’absence. De plus, à l’heure de la mondialisation, le contact avec la culture scientifique et technique anglo-saxonne n’est-il pas l’un des meilleurs moyens d’aide et d’incitation à la pratique ou à l’apprentissage de la langue de Shakespeare et de confrontation entre différentes cultures techniques et scientifiques ? Dans le même ordre d’idée, si nous avons ajouté des références d’ou-vrages français à la fin du livre, nous avons également souhaité clore l’ouvrage par un index bilingue, dont la double entrée alphabétique permettra au lecteur d’avoir les équivalents entre termes anglais et français dans les deux sens de traduction.
Nous souhaitons également exprimer notre vive reconnaissance à toutes les personnes qui nous ont aidés ou encouragés lors de ce travail de traduction, au premier rang desquels évidemment les auteurs, depuis les premiers contacts jusqu’à la préparation matérielle du manuscrit.
Joël Courbon Michel Dupeux
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1les maTériaux de sTrucTure
eT leurs ProPriéTés
PLA
N 1.1 Introduction
1.2 Exemplesdesélectiondematériaux
1.1 inTroducTion
L’ingénieur a peut-être plus de 50 000 matériaux à sa disposition. Lorsqu’il conçoit une structure ou une application, comment s’y prend-il pour choisir dans ce vaste menu le matériau le plus adapté à son objectif ? Les erreurs peuvent engendrer des désastres. Pendant la deuxième Guerre Mondiale, un type de cargo à coque soudée connut de lourdes pertes, non dues aux attaques ennemies mais au fait que ces bâti-ments se cassaient en deux en mer. La ténacité de l’acier, et en particulier de ses soudures, était trop faible.
Plus récemment, trois avions du type « Comet » furent perdus avant que l’on ne réalise que la structure, compte tenu de la conception des hublots, exigeait une limite d’endurance en fatigue plus élevée que celle du matériau. Vous avez certainement vous-même fait l’expérience de ces appareils électroménagers en matière plastique médiocrement conçus : ils présentent des « jeux » excessifs, faute d’avoir pris en compte dans la conception le faible module d’élasticité des polymères. Ces propriétés mécaniques fondamentales des matériaux sont répertoriées dans le tableau 1.1 avec les autres classes de propriétés que l’ingénieur doit prendre en compte lors du choix des matériaux. Plusieurs de ces classes ne vous sont pas familières : nous nous contenterons dans ce chapitre d’y faire allusion au moyen d’exemples. Elles consti-tuent le fondement de ce cours sur les matériaux.
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Tableau 1.1 Les classes de propriétés des matériaux.
Propriétés économiques et environnementales
CoûtetdisponibilitéRecyclabilitéDurabilitéEmpreintecarbone
Propriétés physiques générales
Massevolumique
Propriétés mécaniques
Moduled’élasticitéLimited’élasticité,résistanceàlatractionDuretéTénacitéRésistanceàlafatigueRésistanceaufluagePouvoiramortissant
Propriétés thermiquesConductivitéthermiqueCapacitécalorifiquespécifiqueCoefficientdedilatationthermique
Propriétés électriques et magnétiques
RésistivitéConstantediélectriquePerméabilitémagnétique
Interaction avec l’environnement
OxydationCorrosionUsure
Aptitude à la mise en œuvreFacilitédemiseenformeAssemblageFinition
Propriétés esthétiquesCouleurTextureToucher
Tableau 1.2 Les différentes classes de matériaux.
Métaux et alliages
FeretaciersAluminiumetalliagesCuivreetalliagesNickeletalliagesTitaneetalliages
Polymères
Polyéthylène(PE)Polyméthacrylatedeméthyle(PMMA,Perspex)NylonouPolyamide(PA)Polystyrène(PS)Polyuréthane(PU)Polychloruredevinyle(PVC)PolyéthylèneTéréphtalate(PET)PolyétherétherCétone(PEEK)Epoxydes(EP)Elastomères,dontlecaoutchoucnaturel(CN)
Verres et céramiques*
Alumine(Al2O3,émeri,saphir)Magnésie(MgO)Verresdesilice(SiO2)etsilicatesCarburedesilicium(SiC)Nitruredesilicium(Si3N4)Cimentetbéton
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Composites
Polymèresrenforcésparfibredeverre(PRFV)Polymèresrenforcésparfibredecarbone(PRFC)Polymèreschargés«Cermets»**
Matériaux naturels
BoisCuirCoton/laine/soieOsRoche/craieSilex/sable/agrégats
* Lescéramiquessontdescomposésminérauxnonmétalliquesetcristallins.Lesverressontdessolidesnoncristallins(ouamorphes).Laplupartdesverresnesontpasmétalliques,maisondisposeàl’heureactuelled’unegammedeverres métalliquesauxpropriétésintéressantes.
** Lescermets(CERamiqueetMETal)sontdescomposites:grainsdecéramiquedansunematricedemétal.
À l’occasion de ce cours, nous rencontrerons aussi un certain nombre de classes de matériaux (tableau 1.2 et figure 1.1) que nous utiliserons. Les composants indus-triels sont plus fréquemment réalisés avec des métaux et alliages, qu’avec toute autre classe de matériaux. Mais, de plus en plus, les polymères remplacent les métaux, car ils présentent des combinaisons de propriétés très attrayantes pour le concep-teur. Vous avez sans doute appris par les journaux que les céramiques actuellement en développement à travers le monde sont des matériaux émergents qui pourraient permettre de concevoir des moteurs plus performants, des couteaux plus coupants, des roulements avec des frottements plus faibles. Les ingénieurs peuvent combiner ces différents matériaux pour les meilleures de leurs propriétés, en réalisant des composites (les plus communs étant les polymères renforcés à fibres de verre) qui offrent un ensemble de propriétés particulièrement attrayant. Néanmoins, nous ne devons pas bien sûr oublier les matériaux naturels, comme le bois ou le cuir, qui présentent certaines propriétés que même les matériaux les plus innovants d’au-jourd’hui ont du mal à surpasser.
Métauxet alliages
Composites
Céramiqueset verresPolymères
Pneus à armatureen acier
Béton armé« Cermets »
PRFC PRFV
Polymères chargés
Figure 1.1 Les classes de matériaux utilisées par l’ingénieur.
Dans ce chapitre, nous illustrons au moyen d’exemples variés comment l’ingé-nieur choisit les matériaux qui présentent les propriétés qu’il recherche.
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1.2 exemPles de sélecTion des maTériaux
Tous les tournevis (tels que celui de la figure 1.2) ont une tige et une lame réali-sées en métal : en acier à haute teneur en carbone. On emploie l’acier pour son module d’élasticité élevé. Ce module est caractéristique de la résistance du matériau à la déformation élastique, ici le fléchissement. Si la lame était faite d’un polymère comme le polyéthylène, elle se tordrait beaucoup trop. Cette propriété (le module) est un des critères de choix du matériau pour cette application ; mais ce n’est pas la seule. La lame doit avoir une limite d’élasticité élevée, sinon elle subit une flexion plastique irréversible lorsqu’on visse trop fort (cela peut se produire avec un mauvais tournevis). Par ailleurs, elle doit avoir une dureté élevée, sinon elle serait entaillée par le matériau constituant la tête des vis, et donc endommagée.
En outre, le matériau constitutif de la tige et de la lame doit résister non seulement à la torsion et à la flexion, mais aussi à la fissuration. Par exemple, le verre a un module, une limite d’élasticité et une dureté élevés, mais il ne convient visiblement pas à cet usage en raison de sa fragilité. Plus précisément, sa ténacité est faible. Celle de l’acier est élevée, ce qui signifie qu’il cède, ou fléchit, avant de casser.
Figure 1.2 Exemples de tournevis avec tige en acier et manche en polymères (crédit : Elsevier).
Le manche d’un tournevis est fait en polymère ou en plastique, par exemple en polyméthacrylate de méthyle, aussi appelé PMMA, plexiglas ou perspex. Le manche a une section beaucoup plus importante que la tige, donc il subit moins de torsion qu’elle et son module peut être moindre. On n’arriverait pas à fabriquer un manche correct en caoutchouc (un polymère lui aussi), parce que son module est beaucoup trop faible, mais un revêtement en caoutchouc pourrait se révéler utile car son coeffi-cient de frottement est élevé, assurant une bonne prise en main. Les manches d’outil de fabrication traditionnelle étaient en bois, un composite naturel et de loin le plus utilisé en ingénierie si on se réfère au tonnage annuel consommé.
Le bois a été supplanté par le PMMA parce que ce dernier est mou à haute tempé-rature et qu’on peut donc le mouler rapidement et facilement à ses dimensions finales. Son aptitude à la mise en forme est un atout pour cet emploi. Le choix est
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aussi lié à des critères esthétiques : il a une bonne apparence et un toucher ou une texture agréable. De plus, sa densité est faible, ce qui évite de le concevoir plus lourd sans raison. Enfin, le PMMA est bon marché, et les coûts de fabrication du tournevis sont raisonnables.
Notre deuxième exemple (figure 1.3) nous emmène de la technologie grand public aux matériaux de pointe utilisés dans les turboréacteurs qui propulsent les avions long-courriers. L’aubage-fan1 comprime l’air vers le réacteur et procure en même temps une poussée aérodynamique autour du carter du réacteur. Dans ce dernier, les aubes de compression continuent à comprimer l’air, qui est ensuite mélangé au combustible et brûlé dans la chambre de combustion. Les aubes de turbine sont entraînées par la détente des gaz brûlés et transmettent à l’hélice et au compresseur l’énergie nécessaire à leur rotation. Enfin les gaz sortent à l’arrière du réacteur et contribuent à la poussée.
Figure 1.3 Coupe d’un moteur à réaction typique (crédit : Rolls-Royce plc.).
Les aubes-fan sont en métal, un alliage de titane. Ce dernier a un module, une limite d’élasticité et une ténacité convenables. Mais le métal doit aussi bien tenir en fatigue (occasionnée par les variations rapides de charge) et résister à l’usure super-ficielle (due à tout ce qui la frappe à grande vitesse, des gouttelettes de brouillard aux oiseaux) et à la corrosion (importante pour des décollages en milieu marin à cause de l’eau salée qui pénètre dans le réacteur). Enfin le critère de densité a une impor-tance très grande pour des raisons évidentes : plus le réacteur est lourd, moindre est la charge utile de l’avion. Dans le but de gagner encore en masse, on a songé à des aubes-fan en composite polymère renforcé par fibres de carbone (PRFC), dont la densité est inférieure de moitié à celle du titane. Mais le PRFC n’est pas assez
1. Il s’agit du premier étage de compression de l’air à l’entrée du turboréacteur, qui opère à faible température (NdT).
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résistant aux chocs dans cet emploi : des essais d’impact d’oiseaux ont conduit à l’éclatement de tels aubages.
Passons aux aubes de turbine (ce sont les parties les plus chaudes du moteur) : les exigences sur la tenue du matériau sont encore plus nombreuses. Pour des raisons de rendement, le combustible doit brûler à une température aussi élevée que possible. Le métal des aubes mobiles du premier étage de la turbine (aubes « HP 1 ») atteint de nos jours des températures de 1000 °C en service, ce qui exige une bonne résis-tance au fluage et à l’oxydation. Les superalliages à base de nickel, de composition et de microstructure complexes, satisfont à ces conditions particulièrement sévères et représentent un sommet de la technologie des matériaux de pointe.
Un autre exemple est intéressant pour nous montrer des exigences assez diffé-rentes : les bougies d’un moteur à explosion (figure 1.4). Les électrodes doivent résister à la fatigue thermique (occasionnée par les fluctuations rapides de tempéra-ture), à l’usure (due à l’érosion par les étincelles), à l’oxydation et à la corrosion des gaz brûlants en haut du cylindre, qui contiennent de dangereux composés soufrés. On utilise pour ces électrodes des alliages de tungstène, car ils possèdent toutes ces propriétés.
L’isolant autour de l’électrode centrale est un exemple intéressant de matériau non métallique (dans notre cas une céramique : l’alumine). On l’utilise à cause de ses propriétés d’isolant électrique et également de bonne résistance à la fatigue ther-mique, à la corrosion et à l’oxydation (c’est déjà un oxyde !).
Figure 1.4 Bougie de moteur à explosion à essence
avec des électrodes de tungstène et un corps en céramique (crédit :
Elsevier).
L’utilisation de matériaux non métalliques s’est beaucoup répandue dans les produits à destination du grand public. Notre exemple suivant : un voilier de plaisance (figure 1.5), montre à quel point les polymères et les composites de synthèse ont remplacé les matériaux traditionnels qu’étaient l’acier, le bois et le coton. La coque d’un bateau de plaisance est en polymère renforcé par fibres de verre ou PRFV, facile à fabriquer par seul moulage, d’aspect agréable, et insensible à la rouille ou à l’appétit de mollusques appelés tarets, à la différence de l’acier et du bois. Le mât est en alliage d’aluminium, beaucoup plus léger que le bois à charge donnée ; celui d’un voilier de compétition est même désormais en PRFC. Les voiles, auparavant en
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coton, fibre naturelle, sont composées d’un des polymères suivants : nylon, Térylène, Kevlar. Pour le gréement courant, les polymères ont aussi remplacé les cordages de coton. Enfin des polymères comme le PVC sont fréquemment employés dans des objets comme les bouées pare-battage, les flotteurs et les tauds de protection.
Figure 1.5 Un bateau de plaisance avec une coque
en composite (PRFV), une mâture en alliage d’aluminium et la voilure en fibres polymères
synthétiques (crédit : Catalina Yachts, Inc.).
Deux matériaux composites créés par l’homme ont été cités parmi les objets que nous venons de considérer : les polymères renforcés par fibre de verre (PRFV), ainsi que les polymères renforcés par fibre de carbone (PRFC), beaucoup plus chers. Le champ des composites est vaste et continu à s’étendre (figure 1.1) : dans la prochaine décennie, les composites concurrenceront de plus en plus l’acier et l’aluminium dans nombre d’usages traditionnels de ces métaux.
Jusqu’à présent, nous avons introduit avec suffisamment de détail les propriétés physiques et mécaniques des matériaux de structure, mais il nous reste à examiner deux facteurs la plupart du temps prépondérants : ceux du prix et de la disponibilité des matériaux.
Le tableau 1.3 analyse sommairement leurs prix, donnés en euros. Les matériaux de construction courants – le bois, le béton et l’acier pour le bâtiment – coûtent entre 150 et 400 € (200 à 500 $) la tonne1. Il existe beaucoup de matériaux qui ont les propriétés exigées d’un matériau de construction, mais dont le coût exclut leur utilisation dans ce domaine.
1. NDT : 1 € vaut environ 1,30 $ début 2013.
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Tableau 1.3 Prix à la tonne.
Matériaux de construction courants
Bois,béton,acierpourlebâtiment 150à400€
Petite et moyenne construction mécanique
Métaux,alliages&polymèrespourl’aéronau-tique,l’automobile,legénieélectrique,etc.
400à23000€
Matériaux spéciauxAlliagespouraubesdeturbine,compositesdepointe(PRFC,PRFB),etc.
23000à77000€
Métaux précieux, etc.Paliersensaphir,contactsenargent,microcircuitsenor,diamantindustrielpouroutilsdecoupeetdepolissage
77000à4,6M€
La valeur ajoutée aux travaux de petite et moyenne construction mécanique est plus importante ; cela signifie que les contraintes économiques sur le choix des matériaux sont moins sévères : le travail, la production ou la fabrication représentent une part bien plus importante du coût final de la structure. Les aciers inoxydables, la plupart des alliages d’aluminium et certains polymères coûtent de 400 à 23 000 € (500 à 30 000 $) la tonne. C’est dans ce secteur du marché que la compétition entre les matériaux est la plus intense, et que résident les plus belles possibilités de concep-tion créative. Les polymères et composites y rivalisent directement avec les métaux, et les céramiques nouvelles (carbure et nitrure de silicium) peuvent se concurrencer les uns et les autres dans certains emplois.
Ensuite viennent les matériaux destinés aux applications de pointe ou aux usages spéciaux, comme les superalliages à base de nickel (pour aubes de turbine), le tungstène (pour les électrodes de bougies), et des matériaux composites spéciaux comme les PRFC. Leur prix varie de 23 000 à 77 000 € (30 000 à 100 000 $) la tonne. C’est le domaine des matériaux avancés et de leurs technologies, objet de recherches actives, dans lequel des percées majeures se produisent sans cesse. Là aussi, la concurrence des matériaux nouveaux est vive.
Enfin il reste ce qu’on appelle les métaux rares et les pierres précieuses, fort utilisés en ingénierie : l’or pour les circuits intégrés, le platine pour les catalyseurs, le saphir pour les paliers, le diamant pour les outils de coupe. Leur prix va de 77 000 à plus de 4,6 millions d’euros (100 000 à plus de 60 millions de $) la tonne.
Pour bien montrer comment le coût et la disponibilité affectent le choix d’un maté-riau pour un usage donné, observons les changements des matériaux de construction des ponts de Cambridge au cours des siècles. Comme notre photo du Queen’s Bridge en témoigne (figure 1.6), le bois était un des matériaux les plus employés pour les ponts il y a plus de 150 ans. Il était bon marché, et les forêts fournissaient des tonnages importants de bois de construction excellent. La pierre était aussi beau-coup utilisée, comme pour le Clare Bridge (figure 1.7). Au xviiie siècle, l’afflux de grandes quantités de fonte fit surgir de nombreux ponts en fonte dont le Magdalene Bridge est un bon exemple (figure1.8). Les progrès ultérieurs de la métallurgie permirent de construire de grandes structures en acier dès la fin du xixe siècle (le pont piétonnier du Fort St George, figure 1.9). Enfin l’apparition du béton armé, bon marché, conduisit à des structures esthétiques et durables comme le Garret Hostel Lane Bridge (figure 1.10). Cette évolution illustre clairement l’effet de la disponibi-lité des matériaux sur leur sélection.
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Figure 1.6 Le pont en bois de Queen’s College à Cambridge.
Ilareproduiten1902lepontprimitifconstruiten1749surlesplansdeWilliamEtheridge.Coordonnées521207.86N00654.12E.
Figure 1.7 Le Clare Bridge, construit en 1640, est le plus vieux pont de Cambridge encore debout. On dit qu’il a constitué un moyen de s’échapper du Clare College aux temps de la peste. Coordonnées 52 12 17.98 N 0 06 50.40 E.
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Figure 1.8 Le Magdalene Bridge, construit en 1823 sur le site du très vieux pont saxon de la rivière Cam.
Lesarcsdefontesupportaient jusqu’àunedaterécentedeschargesbienplusimportantesquecellespourlesquellesilétaitconçu.Heureusementcepontaétérestauréetrenforcé.Coordonnées521235.46N00659.43E.
Figure 1.9 Un pont en acier doux typique du xxe siècle, qui constitue un passage commode vers l’auberge du Fort St George. 52 12 44.67 N 0 06 42.09 E.
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